EAE舞臺(tái)技術(shù)公司已經(jīng)完成了一個(gè)安全并可擴(kuò)展的舞臺(tái)軸控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。采用Ethernet POWERLINK作為實(shí)時(shí)通信，這個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以被輕松擴(kuò)展，不僅僅允許任意數(shù)量的驅(qū)動(dòng)器連接，并且可以使得用戶(hù)在簡(jiǎn)單的步驟下即可完成一個(gè)高可用性控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

當(dāng)今的演唱會(huì)和戲劇制作已開(kāi)始采用最先進(jìn)的自動(dòng)技術(shù)，包括特定效果、舞臺(tái)燈光、聲音以及視頻的安裝所需要的控制和安全技術(shù)。所有的同步采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，眾多的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要將重達(dá)數(shù)噸的裝修過(guò)的舞臺(tái)移動(dòng)，即使傳統(tǒng)的劇院如柏林國(guó)家歌劇院也要依賴(lài)于先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)。

在人們頭頂直接由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的重負(fù)載有著嚴(yán)格的安全要求，機(jī)電系統(tǒng)，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)必須能確保安全，在執(zhí)行的電子器件間的數(shù)據(jù)交換必須是無(wú)錯(cuò)誤的傳輸。由來(lái)自Coswing，薩克森的EAE舞臺(tái)技術(shù)所設(shè)計(jì)的高性能ARTEA控制系統(tǒng)里達(dá)到了這一要求-滿足所有的安全要求。控制器接口采用集中或分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

ARTEA是一個(gè)可擴(kuò)展的靈活的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而又能夠滿足極其苛刻的功能安全一致性等級(jí)SIL3,冗余的，高可靠的和極其穩(wěn)定的原因在于它集成了熱備功能，用戶(hù)可以根據(jù)應(yīng)用的需求在完全冗余的控制通道里選擇三個(gè)安全等級(jí)，這使得穩(wěn)定的傳輸錯(cuò)誤檢測(cè)和可承受的價(jià)格之間得到平衡。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-控制器相對(duì)于三個(gè)并行的工業(yè)PC-稱(chēng)為演出服務(wù)器，通過(guò)POWERLINK實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，他們可以在外設(shè)的軸控制器之間交換數(shù)據(jù)，以協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳感器也同時(shí)通過(guò)軸控制器與演出服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

ARTEA’的系統(tǒng)架構(gòu)提供了三個(gè)等級(jí)的自由配置-軸控制(ACU)，POWERLINK(演出服務(wù)器)和TCP/IP(控制臺(tái)和開(kāi)關(guān)等)控制架構(gòu)-大部分控制程序運(yùn)行在演出服務(wù)器上，它們互相連接并且通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP連接到控制控制臺(tái)。然而，軸控制單元通過(guò)POWERLINK連接，作為POWERLINK主站，PCI板直接插到演出服務(wù)器上所控制的每個(gè)200個(gè)軸。圖4顯示了舞臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制臺(tái)。

這有幾點(diǎn)好處，基本的ARTEA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是雙路冗余的，2個(gè)演出服務(wù)器通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的POWERLINK網(wǎng)絡(luò)連接到軸控制器，所有網(wǎng)絡(luò)組件和ACU的安全由兩個(gè)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)構(gòu)成，內(nèi)部硬件架構(gòu)確保了一個(gè)滿足SIL3需求的安全控制系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)是冗余的并且通過(guò)增加一個(gè)并行網(wǎng)絡(luò)與第二個(gè)熱備演出服務(wù)器實(shí)現(xiàn)高可靠性。

如果一個(gè)演出服務(wù)器或網(wǎng)段失效，ARTERSR(安全和冗余)方案自動(dòng)的切換到冗余組件以確保對(duì)平滑的操作不受到影響,同時(shí)，獨(dú)立的發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告給控制臺(tái)，此外，熱插拔使得用戶(hù)可以在演出器件更換組件而不影響觀眾的注意力。

尋找實(shí)時(shí)

劇院舞臺(tái)控制任務(wù)需要響應(yīng)時(shí)間在”硬”實(shí)時(shí)水平來(lái)確保運(yùn)行的絕對(duì)同步，采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，EAE傾向于使用SIMENES產(chǎn)品，但是Profinet的RT版本對(duì)于劇院舞臺(tái)同步而言太慢了，而Profinet IRT尚不可用。公司有兩個(gè)選擇Ethernet POWERLINK和EtherCAT-這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)均可提供所需的性能，并且已經(jīng)大量安裝并滿足IEC61158，確保投資安全。

POWERLINK的一個(gè)關(guān)鍵因素在于與標(biāo)準(zhǔn)硬件的兼容，并且能夠在失效時(shí)支持熱插拔,因此,EAE不想去與Beckhoff簽署一個(gè)授權(quán)協(xié)議，因?yàn)樗麄兿嘈胚@項(xiàng)已經(jīng)完成的開(kāi)發(fā)應(yīng)該被EAE專(zhuān)用，對(duì)于EAE，POWERLINK是一個(gè)完全開(kāi)放和透明的，允許對(duì)于特定應(yīng)用最大的自由。

演出必須進(jìn)行-機(jī)電系統(tǒng)、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在SIL3等級(jí)

比較了針對(duì)舞臺(tái)應(yīng)用，因此，他們更傾向于POWERLINK的數(shù)據(jù)通信，因?yàn)樗膶?shí)時(shí)能力。因此POWERLINK協(xié)議避免了CSMA/CD機(jī)制，通過(guò)嚴(yán)格的通信規(guī)劃阻止了數(shù)據(jù)沖突，在一個(gè)POWERLINK輪詢(xún)周期里，控制器如主站或管理節(jié)點(diǎn)，授權(quán)所有設(shè)備一個(gè)廣播幀，開(kāi)發(fā)者在處理器里通過(guò)具有實(shí)時(shí)能力的POWERLINK協(xié)議棧替代了TCP/IP和UDP/IP協(xié)議。

周期性數(shù)據(jù)交換

為確保一個(gè)參與者在同一時(shí)間可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)廣播,工控機(jī)、PLC或一個(gè)主站委派扮演一個(gè)“脫口秀主機(jī)”的角色，當(dāng)其它節(jié)點(diǎn)運(yùn)行為CN時(shí)候，主節(jié)點(diǎn)設(shè)定用于所有設(shè)備同步和控制周期性數(shù)據(jù)通信的時(shí)鐘速率。在一個(gè)周期內(nèi)，主站以輪詢(xún)的方式向所有CN他們發(fā)送輪詢(xún)請(qǐng)求，他們以廣播形式發(fā)送輪詢(xún)響應(yīng)來(lái)作為應(yīng)答。

一個(gè)POWERLINK周期分為四個(gè)部分，在啟動(dòng)階段，MN發(fā)送一個(gè)循環(huán)開(kāi)始幀SoC給所有從節(jié)點(diǎn)，這用于同步所有參與者，抖動(dòng)小于1uS，在接下來(lái)的周期階段，參與同步交換數(shù)據(jù)，在這個(gè)第二階段，多路復(fù)用可以用于優(yōu)化帶寬利用率，例如，三個(gè)非時(shí)間苛刻的節(jié)點(diǎn)可以共享一個(gè)時(shí)間槽。

MN制定并注冊(cè)多個(gè)設(shè)備使用的時(shí)間槽，在循環(huán)周期的第三個(gè)階段(異步)階段，設(shè)備可以發(fā)送更大的,非時(shí)間苛刻的數(shù)據(jù)寶，用戶(hù)數(shù)據(jù)在每個(gè)異步階段里被拆包并發(fā)送，在異步階段，標(biāo)準(zhǔn)的IP幀可以被發(fā)送，POWERLIK實(shí)時(shí)域可以被連接到非實(shí)時(shí)域，例如，Intranet網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)關(guān)來(lái)允許交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和IP幀，第四個(gè)階段是當(dāng)機(jī)階段，這個(gè)時(shí)間可以被縮短到幾百個(gè)微秒。

軸控制器

分布式ACU或控制柜ACU單眼一個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳感器接口的角色，圖6顯示了舞臺(tái)移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備包括2個(gè)32位CPU提供冗余和為SIL3應(yīng)用提供運(yùn)算。ACU有2個(gè)POWERLINK接口為每個(gè)POWERLINK通道集成了一個(gè)HUB,因此各單元之間可以非常容易采用菊花鏈拓?fù)洹?/P>

軸控制單元-作為一個(gè)分布式的驅(qū)動(dòng)和傳感器接口

ACU還有16個(gè)帶有電氣隔離的數(shù)字輸入，2個(gè)模擬量輸入和2個(gè)SSI絕對(duì)值編碼器接口，12個(gè)帶有監(jiān)測(cè)的輸出和12位精度的模擬量輸出。ARTEASR配置了兩個(gè)POWERLINK接口因此網(wǎng)絡(luò)功能是完整的，即使三個(gè)演出服務(wù)器或者電纜失效的情況下也可用。

此外，EAE提供一個(gè)預(yù)配置服務(wù)器和緊湊的軸控制器電柜，可以與不同制造商提供的變頻器安裝在一起，這允許高達(dá)15kW的分布式驅(qū)動(dòng)安裝。

IXXAT是EAE在ARTEA開(kāi)發(fā)中的合作伙伴，因?yàn)樗麄兪强偩€和安全方面的專(zhuān)家，IXXAT聚焦在基于CAN(CANopen,DeviceNet)和Ethernet(POWERLINK,Ethernet/IP,Profinet,EtherCAT,SERCOSIII,Modbus TCP),TCP/IP相關(guān)的協(xié)議和IEEE1588.

EAE和IXXAT作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了所需的硬件和軟件，并且在很好的時(shí)間里完成了項(xiàng)目-畢竟所有的劇院觀眾們可不會(huì)等待。